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 図 1:ファインマン図では、放出されたグルーオンはらせんとして表されます。この図は、電子と陽電子の消滅を表しています。 | |
| 構成 | 素粒子 |
|---|---|
| 統計 | ボソン |
| 家族 | ゲージボソン |
| インタラクション | 強力な相互作用 |
| シンボル | グ |
| 理論化された | マレー・ゲルマン（1962）[1] |
| 発見した | e + e − → Υ(9.46) → 3g: 1978年DORIS ( DESY )でのPLUTO実験(図2と回想[2]を参照) そして |
| 種類 | 8 [4] |
| 質量 | 0（理論値）[5] <1.3 MeV/ c 2（実験限界） [6] [5] |
| 電荷 | 0 e [5] |
| カラーチャージ | オクテット（8つの線形独立型） |
| スピン | 1 ħ |
| パリティ | -1 |
グルーオン（/ ˈ ɡ l uː ɒ n / GLOO -on ）は、クォーク間の強い相互作用を媒介し、相互作用の交換粒子として機能する、質量のない素粒子の一種です。グルーオンは質量のないベクトルボソンであるため、スピンは1です。[7]強い相互作用を通じて、グルーオンは量子色力学（QCD）に従ってクォークをグループに結合し、陽子や中性子などのハドロンを形成します。
グルーオンは強い相互作用の色電荷を運び、それによって強い相互作用に参加すると同時に、それを媒介します。グルーオンは色電荷を運ぶため、光子が電荷を運ばない量子電気力学 (QED) と比較して、QCD の分析はより困難です 。
この用語は1962年にマレー・ゲルマンによって造られ、原子核をつなぎとめる接着剤に似ていることから名付けられました。 [9]これらの粒子は、クォークとともにリチャード・ファインマンによってパートンと呼ばれました。[10]
プロパティ
グルーオンはベクトル ボソンで、スピンが1 です。質量のあるスピン 1 の粒子には 3 つの分極状態がありますが、グルーオンのような質量のないゲージ ボソンには 2 つの分極状態しかありません。これは、ゲージ不変性により、場の分極はグルーオンの移動方向に対して横向きになる必要があるためです。量子場理論では、ゲージ不変性が破れることはないため、ゲージ ボソンの質量はゼロである必要があります。実験により、グルーオンの静止質量 (ある場合) は数 MeV/ c 2未満に制限されます。グルーオンは負の固有パリティを持ちます。
グルーオンの数え方
QCD には 8 つの独立したタイプのグルーオンがあります。これは、QED の光子や弱い相互作用の3 つのW ボソンと Z ボソンとは異なります。
さらに、グルーオンは色電荷現象の影響を受けます。クォークは3 種類の色電荷を持ち、反クォークは 3 種類の反色を持ちます。グルーオンは色と反色の両方を持ちます。これにより、グルーオンの色と反色の組み合わせは 9通りになります。次に、それらの組み合わせ (およびそれらの略称) の一覧を示します。
- 赤-反赤( )、赤-反緑( )、赤-反青( )
- 緑–反赤( )、緑–反緑( )、緑–反青( )
- 青-反赤( )、青-反緑( )、青-反青( )
これらの可能な組み合わせは、グルーオンの実際の観測された色状態ではなく、有効な状態にすぎません。これらがどのように組み合わされるかを理解するには、色電荷の数学をより詳細に検討する必要があります。
カラーシングレット状態
陽子や中性子のようなハドロンを含む、安定して強く相互作用する粒子は、「無色」であると観測される。より正確には、それらは「カラーシングレット」状態にあり、数学的にはスピンシングレット状態と類似している。[11]これらの状態では、他のカラーシングレットとの相互作用は可能だが、他のカラー状態との相互作用は不可能である。長距離グルーオン相互作用が存在しないため、これはシングレット状態のグルーオンも存在しないことを示している。[11]
カラーシングレット状態は次の通りである: [11]
州の色を 測定できれば、赤と反赤、青と反青、緑と反緑になる確率は等しいでしょう。
8つの色の状態
グルーオンの「8つのタイプ」または「8つの色」に対応する、残りの8つの独立した色状態があります。状態は混在できるため、これらの状態を表現する方法は複数あります。これらは「色オクテット」として知られており、それぞれによく使用されるリストは次のとおりです。[11]
これらはゲルマン行列と同等です。これらの特定の 8 つの状態の重要な特徴は、線形独立であり、シングレット状態からも独立しているため、3 2 − 1 または 2 3であることです。これらの状態を組み合わせて他の状態を生成することはできません。また、これらを追加してr r、 g g、またはb b [12] を禁制のシングレット状態にすることも不可能です。他にも多くの選択肢がありますが、すべて数学的に同等で、少なくとも同じくらい複雑であり、同じ物理的結果をもたらします。
群論の詳細
正式には、QCDはSU(3)ゲージ対称性を持つゲージ理論です。クォークはN fフレーバーのスピノルとして導入され、それぞれがカラーゲージ群SU(3)の基本表現（3で示される三重項）にあります。グルーオンはカラーSU(3)の随伴表現（8で示される八重項）のベクトルです。一般的なゲージ群では、光子やグルーオンなどの力のキャリアの数は、常に随伴表現の次元に等しくなります。SU( N )の単純なケースでは、この表現の次元はN 2 − 1です。
群論では、量子色力学はU(3)対称性ではなくSU(3)対称性を持つため、カラーシングレットグルーオンは存在しない。あるグループが他のグループよりも好まれるという先験的な理由は知られていないが、上で述べたように、実験的証拠はSU(3)を支持している。 [11]グループがU(3)である場合、9番目の（無色のシングレット）グルーオンは「第2の光子」のように振舞い、他の8つのグルーオンのようには振舞わない。[13]
監禁
グルーオン自体が色電荷を帯びているため、強い相互作用に関与する。これらのグルーオン-グルーオン相互作用は、色場を「フラックスチューブ」と呼ばれる紐状の物体に制限し、引き伸ばされると一定の力を及ぼす。この力により、クォークはハドロンと呼ばれる複合粒子内に閉じ込められる。これにより、強い相互作用の範囲が実質的に制限される。1 × 10 −15メートル、おおよそ核子の大きさです。ある距離を超えると、2 つのクォークを結合するフラックス チューブのエネルギーは直線的に増加します。距離が十分に長くなると、フラックス チューブの長さを増やすよりも、真空からクォークと反クォークのペアを引き出す方がエネルギー的に有利になります。
グルーオンのハドロン閉じ込め特性の 1 つの結果として、グルーオンはハドロン間の核力に直接関与しません。これらの力の媒介となるのは、中間子と呼ばれる他のハドロンです。
QCD の通常段階では、単一のグルーオンは自由に移動できないかもしれませんが、グルーボールと呼ばれる、完全にグルーオンで形成されたハドロンが存在すると予測されています。また、実際のグルーオン (通常のハドロンに見られる仮想グルーオンとは対照的) が主な構成要素である他のエキゾチックハドロンについての推測もあります。QCD の通常段階を超えると (極端な温度と圧力で)、クォーク グルーオン プラズマが形成されます。このようなプラズマにはハドロンが存在せず、クォークとグルーオンが自由粒子になります。
実験観察
クォークとグルーオン（色付き）は、より多くのクォークとグルーオンに分裂することで現れ、それらは今度はジェットで相関した通常の（無色の）粒子にハドロン化します。1978年の夏の会議で明らかにされたように、[2]電子陽電子衝突型加速器DORIS（DESY ）のPLUTO検出器は、非常に狭い共鳴Υ（9.46）のハドロン崩壊が3つのグルーオンによって生成される3ジェットイベントトポロジーとして解釈できるという最初の証拠を生み出しました。後に、同じ実験による発表された分析により、この解釈とグルーオンのスピン= 1の性質が確認されました[14] [15]（回想[2]とPLUTO実験も参照）。
1979 年夏、電子陽電子衝突型加速器PETRA (DESY) のより高いエネルギーで、再び 3 ジェット トポロジーが観測され、TASSO [16]、MARK-J [17]、PLUTO 実験[18] (1980 年後半にはJADE [19]でも)によって、q qグルーオン制動放射線として明瞭に観察され解釈されました。グルーオンのスピン = 1 特性は、1980 年に TASSO [20]と PLUTO 実験[21]によって確認されました(レビュー[3]も参照)。1991 年にCERNのLEPストレージ リングで行われたその後の実験で、この結果が再び確認されました。[22]
グルーオンは、QCDによって記述され、特にDESYの電子陽子衝突型加速器HERAで研究されている、クォークとグルーオンの間の基本的な強い相互作用において重要な役割を果たしています。陽子内のグルーオンの数と運動量分布（グルーオン密度）は、1996年から2007年にかけて、H1とZEUSの2つの実験[23]によって測定されました。陽子スピンへのグルーオンの寄与は、HERAのHERMES実験によって研究されました。[24]陽子内のグルーオン密度（ハドロン的に振舞っている場合）も測定されています。[25]
色の閉じ込めは、自由クォーク探索（分数電荷の探索）の失敗によって検証されている。クォークは通常、量子色とフレーバー数を補うためにペア（クォーク＋反クォーク）で生成されるが、フェルミ国立加速器研究所ではトップクォークの単独生成が示されている。[b] [26]グルーボールは実証されていない 。
脱閉じ込めは2000年にCERNのSPS [27]で重イオン衝突で主張され、それは新しい物質状態、すなわち原子核よりも相互作用が少なく、ほぼ液体のようなクォーク・グルーオン・プラズマを意味する。これは2004年から2010年にかけてブルックヘブンの相対論的重イオン衝突型加速器（RHIC）で4つの同時実験によって発見された。 [28]クォーク・グルーオン・プラズマ状態は2010年にCERNの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）で3つの実験ALICE、ATLAS、CMSによって確認された。[29]
バージニア州ニューポートニューズにあるジェファーソン研究所の連続電子ビーム加速器施設[c]は、グルーオンの研究を行っているエネルギー省の10施設のうちの1つです 。バージニア州の研究所は、ニューヨーク州ロングアイランドにあるブルックヘブン国立研究所という別の施設と、新しい電子イオン衝突型加速器を建設するための資金をめぐって競争していました。[30] 2019年12月、米国エネルギー省はブルックヘブン国立研究所を電子イオン衝突型加速器の設置施設として選定しました。[31]
参照
脚注
- ^ インタビューの中でゲルマン氏は、この言葉はエドワード・テラーによって作られたものだと考えていると語った。[8]
- ^技術的には、 フェルミ国立加速器研究所 での単一のトップクォーク生成には依然としてペア生成が関与しているが、クォークと反クォークは異なる種類のものである。
- ^ ジェファーソンラボは、バージニア州ニューポートニューズにあるトーマス・ジェファーソン国立加速器施設の愛称です。
参考文献
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これらの手がかりにより、科学者は宇宙を一体化させるものについてより深く理解できるようになります。
- ^ 「米国エネルギー省、ブルックヘブン国立研究所を新たな大規模核物理学施設の設置先に選定」（プレスリリース）。DOE 。 2020年1月9日。 2020年6月1日閲覧。
さらに読む
ウィキメディア・コモンズには、グルーオンに関連するメディアがあります。
- A. Ali および G. Kramer (2011)。「 JETSと QCD: クォークおよびグルーオン ジェットの発見と QCD への影響に関する歴史的レビュー」。European Physical Journal H。36 (2): 245–326。arXiv : 1012.2288。Bibcode : 2011EPJH ... 36..245A。doi : 10.1140/epjh/e2011-10047-1。S2CID 54062126 。
- ケンブリッジ配布資料 8: 量子色力学 – 素粒子物理学
外部リソース
- Big Thinkのウェブサイト、QCDオクテットのわかりやすい説明
- グルーオンはなぜ 9 個ではなく 8 個あるのでしょうか?